天津大学罗加严Nano Lett.: 多孔铝箔助力“无枝晶”钠金属负极

【引言】

钠元素在地球上丰富的储量，室温下可用的钠离子电池超越锂离子电池成为了极具发展潜力的储能器件。金属钠直接作为负极材料时，面临着类似金属锂但更严峻的问题是，金属钠表面的不均匀沉积/镀层剥离导致枝晶的形成，从而影响电池最终的性能。作为一个电镀的基层，集流体对金属钠的不均匀镀层生成/剥离问题有直接的影响。

【成果简介】

近日，来自天津大学化工学院的罗加严教授（通讯作者）课题组在Nano Letters上发表了一篇题为“Porous Al Current Collector for Dendrite-Free Na Metal Anodes”的文章。该文章介绍了一种多空铝集流体，该集流体作为沉积基底能够抑制金属钠枝晶的生长。基于金属铝不与金属钠发生合金化反应的前提，金属铝作为集流体在成本和质量上皆优于铜集流体。同时，制备得到的多孔铝集流体内部相通的孔结构，能够为金属钠提供形核表面，并减少钠离子的流量分布，促使其形成均匀的镀层结构。由多孔铝集流体制备得到的金属钠电池，能够在稳定的低电压滞环条件下稳定循环超过1000次，平均沉积/剥离过程的库伦效率能够超过99.9 %，与平面铝集流体相比有很大的提升。同时，研究人员还将该多孔铝集流体用于含低量金属钠的Na-O₂电池、Na-Na₃V₂(PO₄)₃和不含负极材料的Na-TiS₂电池中，并推测该策略能够用于结合电解质和正极材料中，从而进一步开发高性能的钠离子电池。

【图文导读】

图1控制金属Na在多孔Al集流体上的沉积

（a）用于钠离子电池负极材料与金属钠负极的不同集流体密度对比

（b）Na-Al的相图（证明材料不发生合金化反应）

（c）循环前后，金属钠在平整和多孔铝箔（集流体）上的沉积示意图

图2金属钠在平面和多孔铝箔上沉积的对比图

（a）平整铝箔沉积/剥离循环前后的宏观图像

（b）多孔铝箔沉积/剥离循环前后的宏观图像

（c）和（e）平整铝箔循环前后的截面和平面SEM图

（d）和（f）多孔铝箔循环前后的截面和平面SEM图

图3以1M NaPF₆的二甘醇二甲醚溶液作为电解液时，多孔铝箔应用于金属钠负极材料的电化学性能表征

（a）使用平整和多孔铝箔，金属钠对电池的恒电流循环性能对比

（b），（c）电流密度为0.5 mA cm^-2时，平整和多孔铝箔集流体上金属钠沉积/剥离的循环电压曲线（小图表示不同循环圈数时电压曲线）

（d）电流密度为0.5 mA cm^-2时，多孔铝箔上沉积0.25 mAh cm^-2金属钠循环1000圈的库伦效率

（e）电流密度为1 mA cm^-2时，多孔铝箔上沉积0.5 mAh cm^-2金属钠循环1000圈的库伦效率

【小结】

研究者首次提出多孔铝箔能够作为抑制钠枝晶生长的沉积基底，其独特的中通孔结构能够为金属钠的形核提供更大的表面积，同时能够减少Na⁺的流量分布，促使其形成均匀的镀层结构。制备得到的金属钠电池，能够在稳定的低电压滞环条件下稳定循环超过1000次，平均沉积/剥离过程的库伦效率能够超过99.9 %。同时，多孔铝箔作为集流体在Na-O₂和Na-Na₃V₂(PO₄)₃中的应用，进一步证明了其全电池应用概念的可行性。显然，铝箔的多孔结构特性能够显著地提升电池的电化学性能，其最优条件还有待进一步研究，另外，该工作为之后探究金属钠负极材料在钠金属电池中的应用铺平了道路。

文献链接：Porous Al Current Collector for Dendrite-Free Na Metal Anodes(Nano Letters, 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03185)

本文由材料人编辑部欧洲杯线上买球 小组沐雨若晴整理编译。参与欧洲杯线上买球 话题讨论请加入“材料人欧洲杯线上买球 材料交流群 466065952”

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